Le ciment, l’élément liant essentiel du béton, est la matière manufacturée la plus consommée sur Terre. Il se distingue par son coût abordable, sa durabilité, sa polyvalence et—malheureusement—son empreinte carbone. La production de ciment libère plus d’un milliard de tonnes de dioxyde de carbone chaque année, représentant environ 8 % des émissions mondiales. Aujourd’hui, une équipe de chercheurs semble avoir trouvé un moyen de réduire nettement ces émissions.
La grande majorité des émissions de carbone de l’industrie du ciment provient du processus de chauffe qui transforme un mélange de calcaire, d’argile et d’autres ingrédients en « clinkers », des solides rocheux ensuite broyés en poudre de ciment. Les matières premières sont chauffées dans des fours alimentés par des combustibles fossiles et atteignent des températures allant jusqu’à 2 552 degrés Fahrenheit (1 400 degrés Celsius), ce qui rend le procédé fortement émetteur. Pour chaque tonne de clinkers produite, environ une tonne de CO2 est émise.
La nouvelle approche a été présentée par Qi Zheng, chercheur postdoctoral à l’Université Stanford, lors de la séance d’automne de l’American Chemical Society le 25 août. Elle supprime le besoin de fours alimentés par des combustibles fossiles grâce au chauffage par plasma, qui consiste à diriger l’électricité à travers un gaz ionisé. Si cette électricité provient de sources d’énergie propres, le processus de chauffage par plasma pourrait être exempt d’émissions.
« Nous sommes motivés par la résolution de problèmes concrets, et la décarbonation de la production de ciment est l’un des défis les plus difficiles auxquels l’industrie lourde est confrontée », a déclaré Zheng à Gizmodo par courriel. « Le ciment est indispensable aux infrastructures modernes, donc notre objectif n’est pas simplement de le remplacer mais de trouver une manière pratique de le fabriquer avec des émissions de carbone considérablement plus faibles tout en maintenant les performances et l’évolutivité que l’industrie exige. »
Une solution concrète
Lors des essais de démonstration, le chauffage par plasma a permis d’atteindre des températures supérieures à 4 352°F (2 400 °C), ce qui a permis aux matières premières de fusionner en clinkers environ 100 fois plus rapidement qu’avec le chauffage traditionnel, selon les chercheurs. En réduisant le temps nécessaire au chauffage, la nouvelle méthode a également diminué les pertes de chaleur, augmentant l’efficacité thermique d’environ 30 % à 80 %.
« Au lieu de s’appuyer sur un four rotatif conventionnel et de transférer la chaleur des gaz de combustion à travers de multiples étapes intermédiaires, notre approche délivre une chaleur extrêmement intense directement au matériau », a déclaré Zheng. « Ce chauffage direct est aussi ce qui permet le traitement très rapide démontré dans notre étude. »
Lorsqu’ils ont examiné leur ciment « bas carbone » au microscope électronique, ils ont constaté que le chauffage par plasma avait créé des défauts à l’échelle nanométrique. Cela peut sembler problématique, mais ces imperfections se dissolvent rapidement dans l’eau et améliorent en fait la prise du ciment, le rendant plus résistant que le ciment traditionnel.
Les chercheurs ont également constaté que leur méthode de chauffage par plasma fonctionnait avec des déchets de ciment issus de centres de recyclage comme matière première. Cependant, les déchets de ciment peuvent varier selon le lieu et le moment de leur collecte, si bien que Zheng et ses collègues devront tester « si la nouvelle technologie est suffisamment robuste pour traiter toutes sortes de déchets, ou s’il faut pré-trier un peu avant d’alimenter le matériel dans les machines », a-t-il déclaré dans un communiqué.
Il faudrait aussi une mise à l’échelle considérable pour déployer cette méthodologie de chauffage par plasma dans l’ensemble de l’industrie du ciment et répondre à la demande mondiale, ce qui rend peu probable l’abandon des fours alimentés par des combustibles fossiles dans un avenir proche.
« Nous reconnaissons que le succès en laboratoire n’est que la première étape », a déclaré Zheng. « Des validations à une échelle bien plus grande—from des tonnes jusqu’à des kilotonnes de production—seront essentielles avant que la technologie puisse être envisagée pour une adoption industrielle à grande échelle ». L’étape suivante consiste à collaborer avec les acteurs de l’industrie du ciment pour tester et faire évoluer leur méthode en vue d’une production de masse.
La course vers le net zéro
Malgré le chemin encore long, cette avancée marque une étape importante vers la décarbonation de la production de ciment, et il est urgent d’agir. L’industrie s’est fixé pour objectif d’atteindre zéro émission nette d’ici 2050 et, pour rester sur la bonne voie, elle doit réduire ses émissions de 40 % par rapport à 2020 d’ici 2030.
Des études antérieures ont montré que le béton absorbait passivement le dioxyde de carbone et compense donc partiellement les émissions liées à la production du ciment, mais une étude publiée récemment dans Nature Communications Sustainability suggère que l’effet est négligeable.
« La carbonatation ambiante ne peut pas être considérée comme un outil pertinent pour réduire les accumulations de CO2 atmosphérique », a déclaré Gaurav Sant, professeur en génie civil et environnemental à l’Université de Californie à Los Angeles, dans un communiqué. « L’effet est réel et significatif s’il est isolé, mais il est insignifiant à l’échelle gigatonne qui compte — et il est bien trop lent pour aider l’industrie du ciment à atteindre son objectif de réduction de 40 % d’ici 2030. »
Passer à des méthodes de production à faible émission pourrait en réalité faire la différence. Le monde n’aura jamais fini d’avoir besoin de ciment, mais des avancées comme cette technologie de chauffage par plasma montrent qu’elle n’est peut-être pas inévitablement nuisible au climat.
